TS. Lê Trọng Lư: Hóa giải những vấn đề khó trong tổng hợp hạt nano từ

Khó khăn còn trở thành yếu tố thúc đẩy anh tìm ra cái mới trong phương pháp “Tổng hợp các hạt nano từ cobalt ferrite với sự kiểm soát về hình thái, kích thước và thành phần: sự ảnh hưởng của các điều kiện hòa tan, hoạt động bề mặt, khử và tổng hợp”, công trình giúp anh trở thành một trong ba nhà khoa học nhận Giải thưởng Tạ Quang Bửu 2019.

Trong nhiều năm trở lại đây, vật liệu nano có từ tính – một loại vật liệu ở kích thước nano có thể điều khiển bằng từ trường, được các nhà khoa học thế giới và Việt Nam quan tâm một cách đặc biệt bởi chúng có rất nhiều tính chất hấp dẫn có thể được sử dụng làm chất xúc tác nano, ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học (chất mang thuốc hướng đích sử dụng từ trường ngoài, chất tương phản cho chụp ảnh cộng hưởng từ, tác nhân cho đốt nóng cảm ứng từ), cảm biến từ và vật liệu ghi từ mật độ cao... Giữa mối quan tâm chung đó, “vật liệu ferrite cobalt (CoFe2O4) mà TS. Lê Trọng Lư theo đuổi được đánh giá là có các đặc tính quý như độ ổn định cao về hóa và nhiệt, có dị hướng từ lớn và từ độ bão hòa cao, vì vậy có nhiều triển vọng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau”, theo GS. TS Nguyễn Đức Chiến (trường Đại học Bách khoa HN).

Tuy nhiên, hầu hết các công trình nghiên cứu trên thế giới về tổng hợp hạt nano thường dựa vào quá trình nhiều bước để điều khiển các thông số của hạt như độ đồng đều, kích thước, hình dạng, trong khi “tính chất của các vật liệu nano như nano ống carbon (CNTs) phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của các hạt tạo ra nó”, TS. Bùi Hùng Thắng (Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) nhận xét. Bên cạnh đó, vai trò của “một số chất tham gia vào phản ứng tạo hạt nano từ như chất dung môi, chất hoạt động bề mặt, chất khử cũng như các điều kiện tổng hợp đối với việc hình thành và phát triển hạt” cũng chưa được làm sáng tỏ, TS. Lê Trọng Lư cho biết như vậy khi đề cập đến lý do khiến anh bắt tay vào thực hiện công trình tạo ra loại vật liệu này và xuất bản trên tạp chí Nanoscale vào năm 2015.

Mối quan tâm về vật liệu nano từ bắt đầu từ khi anh sang Liverpool, Anh làm nghiên cứu sinh vào năm 2006, khi nhận thấy loại vật liệu hấp dẫn này có nhiều tiềm năng ứng dụng, đặc biệt trong lĩnh vực y sinh, và bản thân nó còn có rất nhiều “đất” để cho anh và các đồng nghiệp khám phá.

Qua theo dõi các công bố về tổng hợp hạt nano từ, anh nhận thấy, để tạo ra các hạt nano, hầu như các nhà khoa học đều phải tuân theo một quá trình tổng hợp với nhiều bước thực hiện, thường là kỹ thuật phát triển mầm (seeding growth) hay sử dụng các tiền chất dạng ‘’home made’’ không sẵn có trên thị trường để điều khiển các thông số hạt và có rất ít công bố nêu cách điều khiển được hình thái hạt chỉ bằng một bước đơn giản. Anh cho biết, “lúc đầu, khi đọc các tài liệu và công bố, mình thấy đều nói là khi tăng nồng độ chất hoạt động bề mặt lên thì kích thước hạt nó giảm đi, ví dụ về việc hình thành hạt nano trong dung dịch, ban đầu các ion hoặc nguyên tử kim loại kết lại với nhau để hình thành các hạt nhân và các nhân phát triển thành hạt nano. Nếu chất hoạt động bề mặt bọc xung quanh càng nhiều thì càng hạn chế vật liệu bám vào nhân để phát triển lên”. Như vậy, theo nguyên tắc thì để tạo ra hạt có kích thước nhỏ thì giảm nồng độ chất hoạt động bề mặt đi và ngược lại, nếu muốn cho hạt nhỏ đi thì tăng nồng độ chất hoạt động bề mặt lên.

Tuy vậy, thông qua các thí nghiệm, anh phát hiện ra hai vấn đề: thứ nhất, nguyên tắc này “chỉ đúng với một số trường hợp nhưng rất nhiều trường hợp nó lại không đúng, thậm chí ngược lại”; thứ hai, bản thân nguyên tắc “mới chỉ đề cập đến hai vai trò chất hoạt động bề mặt bám vào để hạn chế sự phát triển của hạt và bảo vệ các hạt trước sự kết đám” một cách chung chung mà chưa nói được chính xác tác động của nó vào hình thái của hạt trong khi “tính chất vật lý và tính chất ứng dụng như quang, từ của các hệ vật liệu cũng phụ thuộc vào hình thái, tức là hình dạng và kích thước của vật liệu, cũng như độ đồng đều của hạt”, TS. Lê Trọng Lư giải thích. Ví dụ với ứng dụng đốt nóng cảm ứng từ “cùng một loại hạt nano nhưng độ đồng đều về kích thước khác nhau, ví dụ sai số kích thước kích thước tăng lên 10 % thì hiệu suất gia nhiệt giảm 20%, nếu đặt trong ứng dụng đốt từ trong y sinh thì điều đó mở ra một tình huống hoàn toàn khác”.

Để giải quyết được hai vấn đề này, TS. Lê Trọng Lư đã phải tiến hành nhiều bước, thông qua các nghiên cứu mở rộng và chuyên sâu từ đề tài cấp Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam “Ứng dụng chế tạo hạt nano từ ứng dụng làm chất xúc tác bề mặt cho CNTs và ứng dụng trong y sinh” (2012-2013) và đề tài Quỹ NAFOSTED “Nghiên cứu chế tạo hạt nano từ cấu trúc core/shell (CoFe2O4@Au, MnFe2O4@CoFe2O4 và MnFe2O4@FePt) cho định hướng ứng dụng y sinh” (2013-2016).

Cùng với cộng sự, TS. Lê Trọng Lư đã thực hiện hàng trăm thí nghiệm để tìm ra bản chất của vấn đề là tại sao kích thước hạt lại thay đổi khi tăng hay giảm nồng độ chất hoạt động bề mặt. Đôi khi, anh phải lặp đi lặp lại các thí nghiệm để chắc chắn điều mình rút ra được là hoàn toàn trùng khớp với các nghi ngờ và giả thiết đặt ra: vai trò của chất hoạt động bề mặt và các điều kiện khác trong quá trình tổng hợp với các hạt nano từ còn quan trọng hơn những gì người ta nghĩ trước đây như đơn thuần là bao bọc lấy hạt, trong trường hợp này là tạo ra phức chất trung gian. “Nếu dùng oleic acid và oleylamine thì các tiền chất sẽ phản ứng với chúng để tạo thành phức trung gian, vốn có độ bền nhiệt cao hơn, không thể phân hủy 200oC mà ở 300oC và dự trữ nguồn vật liệu để phát triển hạt to hơn”, TS. Lê Trọng Lư giải thích. Về bản chất của quá trình tạo nhân, kích thước tới hạn của các hạt nhân phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của vật liệu trong dung dịch. Do đó, khi thay đổi nồng độ của chất hoạt động bề mặt để thay đổi hệ phức trung gian thì nồng độ tới hạn giảm xuống, dẫn đến kích thước tới hạn của các nhân có thể phát triển lên thành hạt sẽ lớn hơn và do đó hạt nano thu được cũng sẽ lớn hơn, phần chất hoạt động còn lại trong dung dịch mà không tham gia tạo phức sẽ bám vào bề mặt, làm thay đổi hình dạng của hạt nano. “Các hình ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử (TEM) đã cho thấy rõ điều đó. Do đó, khi nhận bài, các nhà phản biện của Nanoscale không yêu cầu chỉnh sửa về học thuật mà chỉ chính sửa về câu chữ”, anh kể.

Với những người làm khoa học thực nghiệm ở Việt Nam, vấn đề vật tư hóa chất, thiết bị lại trở thành những rào cản trong công việc bởi những đề tài khoa học cơ bản của Quỹ NAFOSTED lại không có khoản chi cho thiết bị còn “dung môi, chất phản ứng rất đắt, ví dụ một lọ hóa chất 50 gam dùng để tổng hợp theo các quy trình sử dụng phổ biến trên thế giới thì 12 triệu đồng/lọ nhưng cũng chỉ đủ cho 10, 15 phản ứng là hết”, anh cho biết.

Vậy anh giải quyết khó khăn này bằng cách nào? “Mình cứ phải lấy cái nọ bù cái kia để có thể giải quyết được vấn đề lớn”, đó là cách tháo gỡ khó khăn của TS. Lê Trọng Lư khi thực hiện hai đề tài nối tiếp và kế thừa lẫn nhau của Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam và Quỹ NAFOSTED, trong đó kinh phí của đề tài cấp Viện Hàn lâm thì được trích một phần để mua thiết bị.

Ý tưởng phải tìm bằng được những hóa chất giá rẻ để thay thế các hóa chất chuẩn mực của thế giới nhưng phải giữ được chất lượng của hạt nano từ là điều anh tính đến ngay từ khi bắt tay vào thực hiện công trình. “Nếu như ở nước ngoài, mọi thứ tốt ngay từ đầu thì ở Việt Nam việc làm thí nghiệm cần phải quan tâm tới giá cả thì mới làm nhiều mẫu được. Do đó, mình cần nghĩ kĩ hơn, phải tìm được hóa chất giá rẻ. Việc làm thí nghiệm rất tốn kém, nó ‘đánh’ vào kinh tế của mình ngay lúc làm, xót ruột lắm”, TS. Lê Trọng Lư nói. Việc lựa chọn được hóa chất thay thế cũng là một quá trình “thử và sai” qua nhiều thí nghiệm, “mình phải tìm và lựa chọn một vài ứng cử viên có tính chất tương tự rồi kiểm tra trong thực tế”, anh kể.

Việc mày mò tự làm thí nghiệm là thói quen TS, Lê Trọng Lư rèn được kể từ lúc còn học ở Anh, “9 tháng đầu chỉ làm đi làm lại mỗi việc là tổng hợp về hạt nano cobalt từ. Công việc này nó khó vì hệ cobalt rất nhạy về tính chất, dễ bị ô xi hóa mạnh, thay đổi tính chất và độ bám dính và cứ phơi ra ngoài không khí là chuyển màu, kết đám, hàng trăm thí nghiệm mà không ra”. Với sự kiên nhẫn được rèn luyện một cách... may mắn như thế, anh đã tìm ra octadecanol, một hóa chất có vai trò làm gia tốc phản ứng, “rẻ hơn cỡ 1/20 loại thế giới vẫn dùng, vốn có giá thành 670 USD/50gam”.

Không chỉ góp phần đem lại tính mới cho công trình nghiên cứu, việc tạo ra một sản phẩm, dù là sản phẩm trung gian, có giá thành rẻ sẽ là yếu tố quan trọng cho quá trình thương mại hóa sau này. “Nếu một phản ứng mà anh làm rẻ từ hóa chất vật tư trở đi thì sau làm ra sản phẩm thì mới có cơ ứng dụng, chứ ra đắt tiền triệu từ nguyên liệu thì rất khó mở rộng qui mô từ nguyên liệu. Cái đấy nó cải thiện tiềm năng ứng dụng của sản phẩm sau này, TS. Lê Trọng Lư phân tích về cơ hội trong tương lai của sản phẩm từ công trình.

Trong công trình của TS. Lê Trọng Lư, không chỉ có dấu vết “làm khoa học kiểu con nhà nghèo” từ việc mày mò tìm loại hóa chất giá rẻ mà còn có cả cái sáng tạo “tự chế” thiết bị. Anh cho rằng, ở Việt Nam, “đôi khi không lo về những loại máy móc thiết bị hiện đại để đo đạc tính chất vật liệu như TEM/SEM mà cái lo nhất là thiết bị, dụng cụ cầm tay”, vì thiếu TEM có thể gửi đi các nơi làm dịch vụ, còn thiếu thiết bị cỡ nhỏ như bếp từ để tổng hợp dung môi hữu cơ thì “không biết lấy đâu ra”, còn đặt mua thì giá thành quá đắt đỏ. Rút cục, “cái khó ló cái khôn”, anh đã tìm ra giải pháp bằng việc “đặt một cán bộ ngay trong nhóm nghiên cứu, thiết kế thêm một bộ gia nhiệt đặt trên bếp từ, giá thành chỉ có vài triệu mà có thể điều khiển được nhiệt độ tốt hơn của hãng nước ngoài”.

Tuy rất vui vì có thể vượt qua được những khó khăn trong quá trình nghiên cứu nhưng TS. Lê Trọng Lư không khỏi ngậm ngùi, “nếu có đủ công cụ để phân tích phức hệ trung gian thì bài báo sẽ còn tốt hơn nữa bởi mình mới chỉ nêu được cơ chế thôi chứ không có bằng chứng chứng minh. Muốn có nó phải làm thêm rất nhiều thứ, đặc biệt dùng các phép phân tích phổ khối, phân tích rất kỹ để xem nó có hình thành cái phức như mình dự đoán không. Nhưng mình không đủ điều kiện và thời gian không còn, mà làm ở Việt Nam thì nó kỳ công lắm”.

Từ ý tưởng ban đầu về hạt nano cobalt sắt từ, TS. Lê Trọng Lư và cộng sự đã tìm ra được cơ chế tổng hợp hạt nano từ tối ưu và giá thành rẻ, qua đó “giúp những người tổng hợp vật liệu nắm được cách mình điều khiển thông số hạt, điều khiển kích thước, hình dạng, độ đồng đều, thậm chí có thể tự phát triển các phức hệ tùy theo cách ứng dụng của mình”. Anh giải thích, dù là nghiên cứu cơ bản và thực hiện trên một hệ vật liệu cụ thể nhưng công trình của anh “do làm rõ cơ chế rồi, có thể áp dụng trên hệ vật liệu khác, dĩ nhiên cũng cần có một số thay đổi cho phù hợp và phát triển thêm, có thể chọn các hệ vật liệu, các ô xit, các kim loại khác nhau, tìm cách điều khiển thông số, ví dụ cho tổng hợp hạt ô xít sắt từ, đồng sunfat, làm nền tảng chế tạo các vật liệu rỗng, vật liệu chấm lượng tử, đặc biệt hệ vật liệu rỗng rất mới không chỉ ở Việt Nam mà còn thế giới”.

Với tiềm năng này, TS. Lê Trọng Lư và một số đồng nghiệp đã có ý định xây dựng một trang web để quảng bá sản phẩm dưới dạng nguyên liệu đã được tổng hợp, dù là trung gian nhưng rất cần thiết. “Giáo sư hướng dẫn mình bên Anh có tư vấn là hoàn toàn có thể bán được ở thị trường quốc tế. Vấn đề là cần chú ý giữ chất lượng sản phẩm đồng đều và kinh phí đầu tư ban đầu cùng người chuyên tâm theo đuổi”, anh hé lộ một cơ hội thương mại hóa sản phẩm trong tương lai gần.